第七章無機(jī)材料的磁學(xué)性能§7.1物質(zhì)的磁性

§7.2磁疇與磁滯回線

§7.3鐵氧體的磁性與結(jié)構(gòu)

§7.4鐵氧體磁性材料§7.1物質(zhì)的磁性一、物理參數(shù)二、磁性的本質(zhì)三、磁性的分類磁性材料金屬和合金電阻率低，損耗大，不能滿足應(yīng)用之需要，尤其在高頻范圍內(nèi)。含鐵及其它元素的復(fù)合氧化物。稱為鐵氧體（ferrite），電阻率為10～106?m，屬于半導(dǎo)體范疇。磁性無機(jī)材料：高電阻、低損耗。1.磁矩磁矩是表示磁體本質(zhì)的一個物理量。表征磁性物體磁性大小。

磁偶極子電偶極子-q+qlE電矩磁矩小封閉環(huán)形電流磁矩的方向?yàn)樗旧碓趫A心所產(chǎn)生的磁場方向。I電流強(qiáng)度，S為封閉環(huán)形的面積m：單位Am2一、物理參數(shù)2.磁化強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度磁矩愈大，磁性愈強(qiáng)，即物質(zhì)在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關(guān)，與外磁場無關(guān)。

磁化：在外磁場作用下，各磁矩有規(guī)則地取向，使磁介質(zhì)宏觀顯示磁性，這就叫磁化。能被磁場磁化的介質(zhì)稱為磁介質(zhì)。磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度的物理意義是單位體積的磁矩。表征磁介質(zhì)被磁化的程度。H：外加磁場強(qiáng)度單位：A/m：介質(zhì)的磁化率，僅與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，反映材料磁化的能力。沒有單位，可正可負(fù)，取決于材料不同的磁型類別。材料被磁化：H總＝H＋H1(矢量和)外加磁場強(qiáng)度為H，磁介質(zhì)的總磁場強(qiáng)度：H1=M＝H磁感應(yīng)強(qiáng)度B：通過磁場中某點(diǎn)，垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)。單位：Wb·m-2（T特斯拉）真空：磁介質(zhì)：真空磁導(dǎo)率外磁場H介質(zhì)的磁導(dǎo)率介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率介質(zhì)的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁性材料傳導(dǎo)和通過磁力線的能力。是磁性材料最重要的物理量之一。磁場和電場重要物理量及公式對比二、磁性的本質(zhì)磁性的本源：電子的循軌運(yùn)動和自旋運(yùn)動。磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有著本質(zhì)的聯(lián)系。材料內(nèi)部電子的循軌運(yùn)動和自旋運(yùn)動都可以看作是一個閉合的環(huán)形電流，因而必然會產(chǎn)生磁矩。軌道磁矩＋自旋磁矩電子磁矩＝軌道磁矩<<自旋磁矩原子核磁矩很小，約為電子磁矩的1／2000。忽略不計。物質(zhì)的磁性主要由電子的自旋磁矩引起。原子、分子是否具有磁矩，決定于原子、分子的結(jié)構(gòu)。原子中的電子層均被電子排滿時，原子沒有磁矩（方向相反的電子自旋磁矩可以互相抵消）。只有原子中存在未被排滿的電子層時，電子磁矩之和不為零，原子才具有磁矩，稱為原子的固有磁矩。Fe原子：3d64s2Zn：不顯示磁性各層都充滿電子的原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)合成分子時，它們的外層電子磁矩要發(fā)生變化，所以分子磁矩不是單個原子磁矩的總和。三、磁性的分類使磁場減弱使磁場略有增強(qiáng)使磁場強(qiáng)烈增強(qiáng)1.抗磁性<0（-10-6），磁化強(qiáng)度為負(fù)；B<B0；原子（離子）的磁矩為零，不存在固有磁矩；M與H呈線性關(guān)系。如：Bi，Cu，Ag，Au等金屬。特點(diǎn):抗磁性來源于電子循軌運(yùn)動時受外加磁場作用所產(chǎn)生的與外加磁場方向相反的附加磁矩，稱為抗磁矩。2.順磁性（弱磁性）順磁性主要來源于電子（離子）的固有磁矩。無外加磁場時，原子的固有磁矩呈無序狀態(tài)，原子宏觀上不呈現(xiàn)磁性，外加磁場作用下，原子磁矩比較規(guī)則的取向，物質(zhì)顯示極弱的磁性。>0（10-5），磁化強(qiáng)度為正；磁化率與絕對溫度呈反比，＝C/T，C為居里常數(shù)；原子（離子）存在固有磁矩；M與H呈線性關(guān)系。如：過渡元素、稀土元素等。特點(diǎn):3.鐵磁性（強(qiáng)磁性）>0（103），而且很大，磁化強(qiáng)度為正；較弱的磁場，也可得到極高的磁化強(qiáng)度；去除外磁場后，仍保留極強(qiáng)的磁性；M與H呈非線性關(guān)系。。特點(diǎn):鐵磁性來源于原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化。錳（25）、鉻（24）等其他元素也有剩余的自旋磁矩，但并不是鐵磁性金屬。如：Fe、Co、NiFe、Co、Ni原子的外層電子填充規(guī)律金屬元素FeCoNi原子外層電子分布3d64s23d74s23d84s2d層原子填充規(guī)律未抵消自旋數(shù)432？自發(fā)磁化：無外磁場的情況下，材料所發(fā)生的磁化稱為自發(fā)磁化。產(chǎn)生原因：處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生特殊的相互作用。參與相互作用的電子已不再局限于原來的原子，而是“公有化”了，原子間好像在交換電子，稱為“交換作用”。結(jié)果迫使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。因交換作用所產(chǎn)生的附加能量稱為交換能J。J為正值時，呈現(xiàn)鐵磁性。J與晶格的原子間距有密切關(guān)系，原子間距a與未被填滿的電子殼層直徑D之比大于3時，交換能為正值，表現(xiàn)出鐵磁性。a/D<3時，交換能為負(fù)值，為反鐵磁性。不變不變變化鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才能表現(xiàn)出來，超過這一溫度，由于熱振動破壞了電子自旋磁矩的平行取向，自發(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)榱?，鐵磁性消失。由順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性的溫度為居里點(diǎn)。居里點(diǎn)以上，材料的磁化率與溫度的關(guān)系服從居里—外斯定律：C居里常數(shù)4.反鐵磁性（弱磁性）交換能J為負(fù)值，使相鄰原子間的自旋趨于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，不能形成自發(fā)磁化區(qū)域。特點(diǎn):任何溫度下，都觀察不到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象，因此其宏觀特性是順磁性的；M與H呈線性關(guān)系；與溫度的關(guān)系：TTn反鐵磁性物質(zhì)與溫度的關(guān)系Tn反鐵磁居里點(diǎn)抗§7.2磁疇與磁滯回線一、磁疇二、磁滯回線一、磁疇鐵磁性物質(zhì)中自發(fā)磁化方向一致的微小區(qū)域，稱為磁疇。相鄰疇壁間的過渡層稱為磁疇壁。(BaFe12O19)磁疇結(jié)構(gòu)保證體系能量最低磁疇首尾相接，形成閉合回路主疇：大而長的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向必定沿著晶體的易磁化方向。副疇：小而短的磁疇組織，其自發(fā)磁化方向不一定是晶體的易磁化方向。磁疇壁：180°磁疇壁與90°磁疇壁

109.47°磁疇壁與70.53°磁疇壁磁疇壁是一個過渡區(qū)，有一定厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉(zhuǎn)一個大角度，而是經(jīng)過疇壁的一定厚度逐步轉(zhuǎn)過去的，即過渡區(qū)中的原子磁矩是逐步改變方向的。磁疇結(jié)構(gòu)：磁疇的形狀、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結(jié)構(gòu)。同一磁性材料，磁疇結(jié)構(gòu)不同，則其磁化行為也不同。Bloch疇壁（塊體磁性體中）Neel疇壁（薄膜磁性體中）磁疇壁內(nèi)磁矩始終與疇壁平面平行，即磁矩圍繞平行難磁化軸而轉(zhuǎn)動。磁疇壁內(nèi)磁矩始終與薄膜平面平行，即磁矩圍繞垂直薄膜表面的軸而轉(zhuǎn)動。磁疇的形成原因：交換能使磁矩同向排列形成一個磁疇，結(jié)果形成磁極，形成退磁化場，增加了退磁場能（即由于鐵磁體產(chǎn)生的外磁場與內(nèi)磁場的方向相反），使鐵磁體的磁性減弱，從而將破壞已形成的自發(fā)磁化，相互作用的結(jié)果使大磁疇分割為小磁疇，即減少退磁能是分疇的基本動力。形成封閉磁疇時，可使退磁能降為零，于是就出現(xiàn)了三角形疇（副疇），與主磁疇形成閉合回路，減少了退磁能，但增加了由于各向異性作用引起的磁彈性能（磁致伸縮能），于是封閉式磁疇結(jié)構(gòu)就需要有較小的磁疇結(jié)構(gòu)形成來降低彈性能。分疇后退磁能減小，同時還增加了疇壁能，疇壁面積越大，能量越高。磁疇越小，疇壁面積就越大，于是不能無限制分疇。當(dāng)磁疇變小使磁致伸縮能減小的量與疇壁形成所需要的能量（疇壁能的增量）相等時，分疇停止。磁疇起因?qū)嶋H材料中的磁疇結(jié)構(gòu)，受到材料的尺寸、晶界、第二相、應(yīng)力、摻雜、缺陷等的顯著影響，使疇結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。二、磁滯回線1.磁化曲線鐵磁體在外磁場中的磁化（使材料具有磁性的過程）過程主要為疇壁的移動和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)向。磁導(dǎo)率為磁化曲線上各點(diǎn)的斜率磁化過程：oa：微弱磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場強(qiáng)度H的增大緩慢上升，磁化強(qiáng)度M與外磁場強(qiáng)度H之間近似呈直線關(guān)系，磁化是可逆的（可逆壁移）。ab：疇壁移動使與外磁場方向一致的磁疇范圍擴(kuò)大，其它方向的磁疇相應(yīng)縮小。bc：與磁場方向不一致的磁疇的磁化矢量按外磁場方向轉(zhuǎn)動，直到處于飽和狀態(tài)。2.磁滯曲線外磁場為交變磁場Bs飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Br剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Hc矯頑磁場強(qiáng)度（矯頑力）材料磁化與外磁場的關(guān)系：磁滯回線磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場強(qiáng)度的變化回線所包圍的面積相當(dāng)于磁化一個周期所產(chǎn)生的能量損耗，稱為磁滯損耗。鐵磁材料的一個基本特征。按照磁滯回線的形狀分為：軟磁材料－小Hc（磁滯回線瘦?。┯泊挪牧希驢c、Br（磁滯回線肥大）鐵磁性與鐵電性的本質(zhì)差別：鐵電性由離子位移引起，鐵磁性由原子取向引起。鐵電性在非對稱性的晶體中發(fā)生，鐵磁性發(fā)生在次價電子的非平衡自旋中。鐵電體的居里點(diǎn)是由于晶體相變引起的，鐵磁性的居里點(diǎn)是原子的無規(guī)則振動破壞了原子間的“交換”作用，從而使自發(fā)磁化消失引起的?！?.3鐵氧體的磁性與結(jié)構(gòu)一、鐵氧體的磁性二、鐵氧體的結(jié)構(gòu)一、鐵氧體的磁性鐵氧體是含有鐵酸鹽的陶瓷磁性材料。鐵氧體與鐵磁性物質(zhì)的異同：具有自發(fā)磁化強(qiáng)度和磁疇相同之處：鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復(fù)合而成；其磁性來自兩種不同的磁矩：一種磁矩在一種方向排列整齊，另一種磁矩在相反的方向排列。這兩種磁矩方向相反，大小不等，兩個磁矩之差，就產(chǎn)生了自發(fā)磁化現(xiàn)象，因此鐵氧體磁性又稱為亞鐵磁性。不同之處：二、鐵氧體的結(jié)構(gòu)尖晶石型鐵氧體*石榴石型鐵氧體磁鉛石型鐵氧體鈣鈦礦型鐵氧體鈦鐵礦型鐵氧體鎢青銅型鐵氧體§7.4鐵氧體磁性材料一、軟磁材料二、硬磁材料三、矩磁材料一、軟磁材料高磁導(dǎo)率，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大；電阻高，損耗低；矯頑力Hc??；穩(wěn)定性好。1.特點(diǎn)2.應(yīng)用電感線圈、小型變壓器、脈沖變壓器、中頻變壓器等的磁芯；天線棒磁芯、錄音磁頭等。二、硬磁材料（永磁材料）